您好,欢迎访问三七文档
1第四节流体流动现象FLUID-FLOWPHENOMENA一、牛顿粘性定律Newton’sViscousLaw1.实验现象:板间液体运动,且形成上大下小的流速分布(速度差)。现象说明:(1)板间流体可看成为许多流体层,且其间存在相对运动(速度差)。(2)相邻流体层之间存在摩擦力,称为内摩擦力或粘滞力。(否则流体静止)2.牛顿粘性定律:(牛顿经过大量的实验研究,于1686年提出了牛顿粘性定律。)两流体层之间单位面积上的内摩擦力或切向应力或剪应力与垂直于流动方向的速度梯度成正比,即dyud式中μ——粘性系数或动力粘度,简称粘度。二、粘度Viscosity1.物理意义:单位速度梯度时单位面积上所产生的内摩擦力,即dyud所以,粘度越大,流体流动时生产的内摩擦力也越大。At20Cand1atm,ForHydrogen:)/(100.96smkgyFxuduudyyO2ForGlycerin:)/(5.1smkg2.单位sPamsNmsmmNdyud22或)(22泊Pcmsdyncmscmcmdyn(Poise)sPacPPcP32101,10)(1厘泊3.运动粘度(1)定义:(2)单位:sm/2或Stscm/2(沲或斯托克斯)4.温度对μ的影响(1)对液体,T↑,μ↓(2)对气体,T↑,μ↑5.压力对μ的影响(1)对液体,可忽略不计(2)对气体,一般不考虑(除极高或极低压力)6.混合物的粘度(1)对常压气体混合物2121iiiiimMyMy(2)对分子不缔合液体混合物iimxlglg3三、流体流动时的动量传递MomentumTransferofFluidFlow将实验简化成两平板间的三层流体层,上下层流体分别附着在上下平板上,这已被实验证实。若下层平板固定,给上层平板施一向右的恒力,则上层流体随上层平板向右加速运动。设某时刻有两个分子由中层流体运动到上层流体,则同时必有两个分子由上层流体运动到中层流体,否则流体的密度会发生变化。这就相当于用两个在宏观上没有动量的分子交换了两个在宏观上有动量的分子,从而上层流体动量减少,中层流体动量增加。根据牛顿第二定律,力是动量改变的原因,知上层流体受到一个向左的力,上层流体加速度减小;中层流体受到一个向右的力,中层流体开始加速运动。上层流体动量的减少等于中层流体动量的增加,所以这两个力是流体内部一对作用力与反作用力,称为内摩擦力。开始上层流体左向力不足于平衡右向力,随着速度差的增大,动量交换也增大,上层流体左向力也增大。当左向力与右向力平衡时,上层流体开始匀速运动,同时中层流体也开始匀速运动,否则速度差改变。下层流体因下层平板固定而静止,平衡时各流体层所受之力相等。从上述分析可知,内摩擦力与速度差成正比。另外,分子间力也是内摩擦力产生的原因之一,因为这样才能解释温度对粘度的影响。1.内摩擦力产生的原因:分子的动量传递和分子间力。气体的内摩擦力主要是由分子的动量传递产生的,气体分子相距较远,温度升高时,体积膨胀,分子间力下降比例较小,而分子的动量传递增加比例较大;液体的内摩擦力主要是分子间力产生的,液体分子相距很近,温度升高时,分子间力下降比例较大,而分子的动量传递增加比例较小。2.内摩擦力的物理意义:单位时间通过单位面积的动量,FFFFF0F4即smsmkgmsmkgmN2222所以,流体流动过程也称为动量传递过程,牛顿粘性定律就是定量描述动量传递的定律。四、非牛顿型流体NewtonianandNon-NewtonianFluids1.牛顿型流体:满足牛顿粘性定律的流体,如空气、水等。2.非牛顿型流体:不满足牛顿粘性定律的流体,如泥浆、高分子溶液等。五、流动类型与雷诺准数FlowTypesandReynoldsNumber1.实验现象及流动类型流体质点只有轴向运动(层流或滞流)。流体质点除有轴向运动外,还有径向运动。(过渡流)流体质点除有轴向运动和径向运动外,还相互碰撞和混合。(湍流或紊流)2.雷诺准数(雷诺数)(ReynoldsNumber)duRe湍流过渡流层流,4000Re,4000Re2000,2000Relaminarflow,transitionalflowandturbulentflow层流底层区湍流过渡流区(缓冲层)湍流主体区(湍流核心)3.流体质点的运动方式(1)层流:轴向运动(稳态流动)(2)湍流:脉动(非稳态流动)iu2iu15时均速度:21121duuii4.流体在圆管内的速度分布(1)层流:抛物线分布,max5.0uu(2)湍流:非抛物线分布,max82.0uu5.流体在直管内的流动阻力(1)层流:阻力来自内摩擦力:dyud(2)湍流:阻力来自内摩擦力和碰撞及混合,即阻力为摩擦应力与湍流应力之和:dyude)(式中e——涡流粘度,Pas。不是物性,而是与流动状态有关的系数。六、边界层的概念(Prandtl,1904)ConceptofBoundaryLayers1.形成:润湿→附着→内摩擦力→减速→梯度(1)边界层:壁面附近存在速度梯度的流体层。一般取边界层外缘的流速suu99.0。层流边界层过渡流湍流层流底层区湍流边界层过渡流区(缓冲层)湍流主体区(湍流核心)(2)主流区:不存在速度梯度的区域或边界层以外的区域。62.发展(1)平板上:主流区流速不变。a.层流:sxxxuRx,Re64.45.0b.湍流:2.0Re376.0xx5102Rex层流65103Re102x过渡流6103Rex湍流(2)直管内:流体须经一定的距离才能形成稳定的边界层。由于总流量不变,中心流速增加。边界层占据整个管截面。a.层流:稳定段(或进口段)长度:Re0575.00dxb.湍流:层流底层厚度:8/7Re5.61dbc.应用:测量点应在稳定段之后。层流可取x0=(50~100)d,湍流一般可取短些。3.分离:流体流经曲面时,边界层与壁面脱离的现象。(1)形成:uA=0,pA=max;流通截面减小;uB=max,pB=mix;流通截面增大,动能耗尽;uC=0,pC=max;脱离;倒流;旋涡;碰撞和混合;形体阻力。(2)应用:流体流过非直管时,应考虑形体阻力。即阻力为摩擦阻力(摩擦应力与湍流应力之和)与形体阻力之和。7第五节流体流动阻力FLUID-FLOWFRICTION一、阻力的含义FrictionImplication当流体在管道中流动时,相邻流体层之间的内摩擦力由于阻碍流体流动,也称为流动阻力或摩擦阻力。该流动阻力使一部分机械能转化为热能,这部分机械能称为能量损失。又由于能量损失用于克服流动阻力,所以能量损失也称为阻力损失,简称阻力。内摩擦力=摩擦阻力=流动阻力=能量损失=阻力损失=阻力=hf二、阻力的分类ClassificationoftheFriction直管阻力Skinfriction(fh),(等径)直管阻力(fh)局部阻力Formfriction(fh),管件、阀门、进出口等三、水平直管阻力FrictionofStraightPipe在直管中任取一段流动流体。如图所设,则由fhupgzupgz2222222111得ppphf21又由x方向上的力平衡,得,442221dldpdpdlpp421所以dlphf41p2pduxl218四、非水平直管阻力(思考题:试求垂直直管的阻力)FrictionofNon-straightPipe以垂直直管阻力为例。如图所设,则由fhupgzupgz2222222111得2121)(ppzzghf又由y方向上的力平衡,得dlglddlmgdpdp22221444dlglpp421所以dlgzzdlglpp4)(41221所以dldlgzzzzghf44)()(1221所以非水平直管阻力与水平直管阻力是相等的。五、管壁粗糙度RoughnessofPipeWalls1.管的分类Classificationofpipes光滑管Smoothpipe:玻璃管、铜管、塑料管等管粗糙管Roughpipe:钢管、铸铁管等2.绝对粗糙度Absoluteroughness:粗糙面凸出部分的平均高度,,m。3.相对粗糙度Relativeroughness:d,无量纲(因次)。4.层流时,粗糙度对阻力没有影响。5.湍流时(1)b,没有影响。(2)b,有影响。1p2pyl21du9六、层流摩擦系数FrictionFactorofLaminarFlow在直管中任取一段流动流体。如图所设,则由x方向上的力平衡,得drudrlrlrprpr222221整理得rdrlprdrlppudr2221不定积分(0,ruRr时),得)(422rRlpur——速度分布2max4,0Rlpur时所以22max1Rruur——速度分布又rdrrRlpdAudVrs2)(422),(dAdVuAVusrs定积分(r=0时,Vs=0;r=R时,Vs=Vs),得48RlpVs而max22218uRlpRVAVuss所以232dlup——Hagon-Poiseuille公式所以2Re6426422udludlduphf令Re64——层流摩擦系数则22udlphfRrlru1p2pxRrdr10七、湍流摩擦系数FrictionFactorofTurbulentFlow1.量纲(因次)分析法Dimensionalanalysis由实验知),,,,,(uldfp设qkjcbaulKdp上式中7个物理量的量纲分别为212222dim/][MTLpsmkgmsmkgmNp(dimension)Ldmddim][Llmldim][1dim][LTusmuMLmkg33dim][11dim][MTLsPaLmdim][由量纲相等,得qkkkjjccbaLTMLMLTLLLMTL321由因次相等,得13qkjcba1kj2kcqkba解之kc2kj1回代qkkkbqkbulKdp12整理qkbddudlKup2由实验知,p与l成正比,所以b=1。11所以222udldduKpqk=2Re,2udld令dRe,——湍流摩擦系数则22udlphf2.与Re,d的关系Thefriction-factorchart该关系见图1-27(P54)。该图可分为四个区域:(1)层流区[Re≤2000,(Re)Re64f]。(2)过渡流区(2000Re4000),流动条件好时,仍可以是层流;为安全起见,一般按湍流计算。(3)湍流区(Re≥4000及虚线以下的区域),dfRe,。(4)完全湍流区(虚线以上的区域),df。对一定的管路,d、dl为定值,所以222uudlhf阻力平方区3.的经验关联式(1)光滑管a.Blasius公式25.0Re3164.0,Re=3103~1105b.顾毓珍公式(yu预)6332.0103~103Re,Re500.00056.0
本文标题:流体流动2
链接地址:https://www.777doc.com/doc-2264640 .html